隆陽區水庫型水源地非點源風險空間分布及評價

郭財秀，張 鵑，李 姣，楊開斌，子萬玖

(1.昆明龍慧工程設計咨詢有限公司，云南 昆明 650000；2.云南省水文水資源局紅河分局，云南 蒙自 661100；3.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650000)

云南省保山市隆陽區地處中國西南邊陲，地形起伏大，地貌類型多樣，水資源分布不均，人均水資源量較少，屬嚴重缺水地區。受區域自然條件影響，供水水源類型有水庫型、地下水型和河流型，以水庫型居多。隨著隆陽區社會經濟的發展，居民生活生產活動帶來的水環境惡化、植被退化、水土流失等問題威脅著飲用水水源安全。飲水安全事關民生大計，保障飲水安全是隆陽區可持續發展的基礎保障。

飲用水水源地風險源主要有點源、非點源兩類[1-2]。隆陽區水源地多處于山區河谷、溝箐地帶，區域內以農業經濟為主，生活污染、農業種植、水產養殖等非點源污染是區內水源地水質惡化的主要誘因。目前，水源地調查評價大多是進行水量和水質安全評價，對各類風險源尤其是非點源風險源的評價較少[3-5]。非點源風險源呈零散的面狀分布，難以通過傳統的污染源調查統計方法進行評價[6]。隨著3S技術的發展，RS和GIS技術在區域空間信息的提取、分析及可視化等方面的應用越來越廣泛，為水源地調查評價提供可視化技術支撐，并逐步運用于水源地水質、污染源空間分布調查等[7-9]。胡娟[10]基于GIS空間分析功能實現了漢江、湘江水源地水質的空間可視化分析；殷緒華等[11]將GIS技術運用到污染物入庫量的研究；姚延鵑等[12]通過對高空分辨率遙感影像的人工解譯，識別水源地保護區內的非點源風險源，揭露了全國25個典型湖庫型水源地保護區的非點源風險空間分布。本文以隆陽區內12個水庫型水源地為研究對象，基于水源地保護區內的土地利用方式，運用ArcGIS獲取水源地保護區內非點源風險的空間分布，并通過建立一套科學的評價方法進行非點源風險定量和定性評價，旨在為隆陽區水源地風險管理提供數據支撐。

1 風險評價方法

1.1 非點源風險源提取

結合實地勘測資料和近期Landsat TM遙感影像，基于ENVI軟件，采用人機交互作業方法，通過識別影像光譜、紋理、色調等目視解譯得出水源地保護區內的土地利用方式。根據水源地現場走訪調查，水源地保護區范圍內存在的非點源污染主要由居民生活污水、固體廢棄物、農田化肥農藥施用、礦山開采和水產養殖等引起。因此，本次構建的非點源風險源體系由農業用地、居民點、開采用地、水產養殖4類組成，其中農業用地、居民點、開采用地屬陸域類風險，水產養殖屬水域類風險。基于研究區土地利用方式解譯結果，提取農業用地、居民點、開采用地、水產養殖用地4類土地利用信息，即可統計出非點源風險源的位置和面積。

1.2 非點源風險定量評估

采用非點源風險指數(non-point source pollution risks index,NPPRI)進行水源地非點源風險的定量評估[12]。

(1)

式中NPPRI——非點源風險指數；Wi=(w1，w2，…，wm)；wm——m類非點源風險源的權重；Si=(s1，s2，…，sm)；sm——m類非點源風險源的風險值。

非點源風險源的權重由層次分析法進行確定，非點源風險源的風險值根據陸域或水域非點源風險源面積占其所在保護區的對應陸域或水域面積的比例進行賦分。

層次分析法是通過構建判斷矩陣，采用專家賦分法確定相互對比的2個因素的相對重要性分值，由此計算出同一層次因子相對上一層因子的相對重要性權重[13]。根據非點源風險源對水源地水質安全的影響程度，結合國內相關研究及水源地相關法律規定，針對本次建立的非點源風險源體系，構建判斷矩陣(表1)。經計算，矩陣一致性檢驗參數CR為0.024，小于0.100，具有較好的一致性。通過對判斷矩陣(表1)的最大特征根對應的特征向量進行歸一化處理得到各非點源風險源的權重(表2)。考慮水源地不同級別保護區對水源地保護程度的不同，各級保護區風險源的權重不同，根據一級保護區較二級保護區重要，確定相應權重統計(表2)。

表1 非點源風險源判斷矩陣

表2 非點源風險源權重

1.3 非點源風險定性評估

為更直觀地反映水源地保護區內非點源風險隱患大小，基于非點源風險源對水源地的影響程度及國內相關風險源評價研究，采用低、較低、中等、較高、高5個級別對隆陽區水源地保護區內非點源風險進行定性評價[14]。風險的級別越高，水源地遭遇的非點源風險越大。以水源地非點源風險指數為基礎進行非點源風險級別劃分，計算非點源風險指數的均值(μ)和標準差(σ)，按照表3設定范圍確定各水源地非點源風險級別[15]。

表3 非點源風險定性分級

2 風險評價與分析

2.1 水源地概況

以隆陽區12個水庫型水源地為研究對象，分析水源地保護區內非點源風險源的空間分布規律，并進行非點源風險評價。水源地基本信息見表4，水源地保護區面積范圍1.81～13.22 km2不等，涵蓋小Ⅰ型、小Ⅱ型和中型水庫，具有較好的代表性。

2.2 水源地非點源風險空間分布規律

基于遙感影像解譯的土地利用數據，運用ArcGIS提取12個水源地非點源風險源的位置和面積，統計得出研究區內非點源風險源信息見表5，非點源風險源分布特點如下。

水源地保護區內均有非點源風險源分布，主要有農業用地、居民點、開采用地和水產養殖用地4類，水源地非點源風險源總面積22.9 km2，占水源地保護區總面積26.8%。按非點源風險源類型統計，以農業用地面積占比最大，占非點源風險源總面積的90.0%；其次是居民點、開采用地、水產養殖用地，分別占9.1%、0.9%、0.003%。按水源地統計，除第5水源地外，其余11個水源地保護區內均有農業用地和居民點分布，僅第3水源地保護區內有開采用地，僅第12水源地保護區內有水產養殖用地。按保護區級別統計，除第5水源地一級保護區內無非點源風險源分布外，其余水源地的一級、二級保護區內均有非點源風險源的分布；一級、二級保護區內非點源風險源總面積分別為2.4、20.6 km2，分別占一級保護區和二級保護區總面積的16.3%、28.9%。

表4 水源地基本信息

表5 水源地非點源風險源信息統計 hm2

2.3 水源地非點源風險評價

2.3.1定量評價

統計12個水源地保護區內各類非點源風險源面積占所在保護區的陸域或水域非點源風險源面積的比例，由式(1)計算非點源風險指數，結果見表6。繪制非點源風險指數及各級保護區內非點源風險源分布情況(圖1)。

表6 水源地非點源風險值及定量評價結果

圖1 水源地保護區非點源風險源統計與評價

由表6可知，12個水源地中非點源風險指數最小的是第5號水源地，為0.35，最大的是第4號水源地，為9.60。由圖1可知，各水源地中均以農業用地面積居首，表明12個水源地中以農業非點源風險隱患較大。由于第5號水源地僅二級保護區內分布有小面積的農業用地，周邊環境保護良好，非點源風險指數小；而第4號水源地一級、二級保護區內均有較大面積的農業用地和居民點，非點源風險指數大。

為進一步分析各類因子對非點源風險指數的影響，選取非點源風險指數、一級保護區內非點源風險源面積比例、二級保護區內非點源風險源面積比例、保護區內非點源風險源面積比例、非點源風險源面積、保護區面積數據系列繪制散點圖，建立非點源風險指數與各因子的相關關系見圖2。

a) 非點源風險指數與非點源風險源因子相關關系

b) 非點源風險指數與保護區面積相關關系圖2 水源地保護區非點源風險指數與各因子相關關系

由圖2可知，非點源風險指數與各非點源風險源因子的相關系數均在0.76以上，相關關系較好，與水源地保護區面積相關系數僅為0.04，沒有相關性，說明水源地遭遇非點源風險隱患的大小與保護區面積大小無關，但與非點源風險的面積及其在各級保護區內占比有關，尤與一級保護區內非點源風險的面積比例相關關系最好。另一方面，由于水源地保護區面積是非點源風險源絕對面積的基數，保護區面積越大，非點源風險的基數越大，治理難度越大。因此，進行水源地風險管理時，既要加強一級保護區內風險源的保護與管理，還要考慮整個水源地保護區的污染治理與保護。

2.3.2定性評價結果

12個水源地非點源風險指數的均值為3.30，標準差為2.30，按照表3風險等級的設定范圍，確定非點源風險值范圍見表7。12個水源地非點源風險定性等級分類結果見圖3。由圖3與表7可知，12個水源地中，1個水源地(第4水源地)風險定性等級為高，占8.3%；1個水源地(第2水源地)風險定性等級為較高，占8.3%；6個水源地(第3、7、8、10、11、12水源地)風險定性等級為中等，占50.0%；3個水源地(第1、6、9水源地)風險定性等級為較低，占25.0%；1個水源地(第5水源地)風險定性等級為低，占8.3%。第2、4水源地因一級、二級保護區內均分布有大面積的農業用地和居民點，評價等級分別為較高風險、高風險。風險定性等級較高以上的占16.7%，說明本研究中水源地遭遇非點源風險隱患總體不大。

表7 水源地非點源風險定性等級結果

圖3 水源地非點源風險定性等級統計結果

3 結論

a) 本研究選取了隆陽區12個水庫型水源地，基于遙感影像資料和ENVI軟件提取保護區內非點源風險源信息，發現非點源風險源類別中，農業用地分布于12個水源地保護區內，居民點分布于11個水源地保護區內，而開采用地、水產養殖用地僅分布于個別水源地保護區中。說明本研究中水源地保護區內非點源風險主要來自農業面源和居民生活污染，可根據非點源風險的分布位置和面積制定配套的污染治理措施。

b) 根據水源地非點源風險評價結果，本研究中的水源地遭遇非點源風險隱患總體不大。但12個水源地保護區內非點源風險現狀不同，其中第2、4水源地分別處于較高風險、高風險狀態，應優先對其進行保護與管理。

c) 基于不同時期遙感影像即可識別不同時期的非點源風險源信息，以此進行非點源風險源的監測，可為水源地的非點源風險評價提供數據支撐。本文通過對水源地非點源風險的定量與定性評價，直觀的反映了保護區內風險狀況，明確風險治理類別、位置和數量，并確立了風險管理優先次序，便于制定有效的污染防治措施，對保證區域飲用水水源供水安全具有重要意義。